A Study on the Surface of the Dry Etched TaN Thin Film by Adding The CH<sub>4</sub> Gas in BCl<sub>3</sub>/Ar Inductively Coupled Plasma

(1)

DOI: http://dx.doi.org/10.4313/JKEM.2013.26.5.335

BCl

3

/Ar 유도결합 플라즈마 안에 CH

4

가스 첨가에 따른 건식 식각된 TaN 박막 표면의 연구

우종창¹, 최창억¹, 양우석¹, 주영희², 강필승², 전윤수², 김창일^2,a

1 한국전자통신연구원 나노융합센서연구실

2 중앙대학교 전자전기공학부

A Study on the Surface of the Dry Etched TaN Thin Film by Adding The CH

4

Gas in BCl

3

/Ar Inductively Coupled Plasma

Jong-Chang Woo¹, Chang-Auck Choi¹, Woo-Seok Yang¹, Young-Hee Joo², Pil-Seung Kang², Yoon-Soo Chun², and Chang-Il Kim^2,a

1 Nano Convergence Sensor Research Section, Electronics and Telecommunications Research Institute, Daejeon 305-700, Korea

2 School of Electrical and Electronics Engineering, Chung-Ang University, Seoul 156-756, Korea

(Received March 5, 2013; Revised April 3, 2013; Accepted April 8, 2013)

Abstract: In this study, the plasma etching of the TaN thin film with CH4/BCl3/Ar gas chemistries was investigated. The etch rate of the TaN thin film and the etch selectivity of TaN to SiO2 was studied as a function of the process parameters, including the amount of CH4. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) was used to investigate the chemical states of the surface of the TaN thin film.

Keywords: Etch, TaN, Plasma, ICP, BCl3/Ar, CH4

1. 서 론¹⁾

최근에 트랜지스터의 게이트의 크기를 획기적으로 줄 이면서 소자의 집적도를 향상시키고, 동작 전압을 낮출 수 있으나, 게이트 산화막 (SiO2)에서의 터널링 증가로 인한 소자의 오동작이 자주 유발된다. 따라서 게이트 절 연막을 두껍게 만들어 터널링을 방지함에도 낮은 전압

a. Corresponding author; [email protected]

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에서도 반전채널을 형성할 수 있는 고-유전막 (high-k thin film)으로 게이트 절연막을 대체하려는 연구가 진행 중에 있다 [1]. 고-유전막의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 금속 전극을 적용한 고-유전막이 연구되고 있으 며, 또한 기존의 알루미늄 금속 배선의 한계를 극복하기 위하여 전자 이주 현상이 낮고 전도도가 매우 높은 구 리 금속 배선이 연구되고 있다. 구리는 기존의 알루미늄 배선과 다르게 다마신 공정을 이용하여 비아나 컨택의 홀에도 적용할 수 있어서 중간 공정을 많이 줄일 수 있 다는 장점을 지니고 있다 [2,3]. 그러나 구리는 주변 다 른 층에 쉽게 확산되는 성질을 가지고 있어 구리와 타 박막 사이 확산 방지막의 형성이 필수적이다 [4,5].

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Fig. 1. Schematic diagram of the inductively coupled plasma system for TaN thin film etching.

현재 연구되고 있는 확산 방지막으로는 TaN, TiN, WN 등과 같은 금속 질화물들이 있으며, 이 중 TaN과 TiN은 금속/고-유전막 구조에서의 전극으로 사용될 수 있기 때문에 지속적인 연구가 요구되고 있다 [4-9].

트랜지스터의 크기가 줄어듦에 따라 게이트의 폭 및 전극의 폭도 줄어들어야하며, 따라서 소자의 미세 화가 진행될수록 습식식각 대신 플라즈마를 이용한 건식식각의 중요성은 더욱 커지고 있다 [10]. 결국, 확산 방지막으로 사용되는 TaN을 금속/고-유전막 구 조에서 전극으로 사용하기 위해서는 TaN 박막의 건 식 식각 특성에 대한 연구가 필요하다.

지금까지는 TaN 박막이 BCl3, Cl2, HBr 및 Ar 플 라즈마를 이용하여 고밀도 플라즈마에서 식각되어졌 다. S. Beckx는 산화막 마스크와 BCl3 그리고 Cl2/HBr을 이용하여 TiN/TaN 구조의 steep 프로파일 을 얻었다. 그러나, BCl3의 화학적인 반응 때문에 TaN 박막의 Undercut 프로파일이 형성되었으며, 또 한 빠른 식각속도는 TaN 박막에 데미지를 발생시키 기 때문에 CH2F2을 첨가하여 패시베이션 층을 형성 하는데 이용되기도 하였다 [5,8,11-14].

본 연구에서는 BCl3/Ar에 CH4 가스의 첨가에 따른 TaN 박막 표면의 식각 반응을 유도결합 플라즈마 (inductively coupled plasma, ICP)를 이용하여 알아보 았다. 또한 식각 시 TaN 박막표면에서의 화학적 반응 들은 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy)를 통해 확인하였으며, 식각된 표면을 FE-SEM (field emission scanning electron microscopy)을 통해 관찰하였다.

본 실험에 사용된 시료는 TaN/SiO2/Si substrate의 구조로 TaN 박막의 두께는 1,000 Å이었다.

그림 1은 본 실험에 이용된 건식식각 장비로 유도 결합 플라즈마 (ICP) 시스템을 사용하였으며, 지름 26 cm의 원형 chamber 및 9 cm 높이의 구조로 형성되 었다. Chamber 상부는 플라즈마를 형성하기 위한 3.5 턴의 구리 코일 안테나가 석영창 (quartz window)에 의해 chamber 내부와 격리되어있으며, 안테나에 전원 을 입력하기 위하여 13.56 MHz의 주파수를 가지는 RF 전원이 연결되어있고, 하부에는 플라즈마의 이온 을 제어하기 위하여 13.56 MHz 주파수의 RF 전원이 연결되어 있다. Chamber의 압력은 mechanical pump 와 turbo-molecular pump를 이용하여 10^-6 Torr까지 조절한다.

본 실험의 공정 조건은 상부 RF 전력 500 W, 하부 직류 바이어스 전압 - 150 V, 공정 압력 15 mTorr, 기판 온도 40℃, 그리고 BCl3/Ar (4:16 sccm)의 가스 비에 CH4 가스를 0∼12 sccm까지 변화시켰다. Depth profiler (alpha-step 500, KLA Tencor)를 이용하여 TaN 박막의 식각속도를 측정하였으며, 식각된 박막 표면의 화학적 구성 및 변화를 알아보기 위하여 XPS (AXIS-HSI, KRATOS)분석을 진행하였다. 또한, 표면 의 화학적 반응을 눈으로 확인하기 위해 FE-SEM (Microlab 310-D, Thermo VG Scientific)을 이용하였 다.

3. 결과 및 고찰

그림 2는 BCl3/Ar(=4:16 sccm)의 가스에 CH4 가스 첨가에 따른 TaN 박막의 식각 속도와 SiO2 에 대한 TaN 박막의 선택비를 나타낸 것이다. CH4/BCl3/Ar (=3:4:16 sccm)의 조건에서 104.3 nm/min의 최고 식 각 속도를 보였으며, 이때 SiO2와의 선택비는 1.05이 었다. 이러한 결과로 볼 때, CH4 가스가 3 sccm까지 첨가됨에 따라 여기된 Ar 이온이 C, Cl 혹은 CH 와 충돌하여 C 라디칼로 해리시키는데 도움을 주기 때 문에 C의 부피 밀도가 증가한 것으로 판단되며, 이러 한 C 라디칼의 증가로 높은 식각속도를 보이는 것으 로 여겨진다. 그러나 6 sccm 이상의 CH4 가스가 첨 가되었을 때는 오히려 식각속도가 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 즉, CH4 가스의 영향으로 화학적

(3)

(a) CH4/BCl3/Ar(=0:4:16 sccm)gas mixing ratio

(b) CH4/BCl3/Ar(=3:4:16 sccm)gas mixing ratio

(c) CH4/BCl3/Ar(=6:4:16 sccm)gas mixing ratio

(d) CH4/BCl3/Ar(=12:4:16 sccm)gas mixing ratio Fig. 2. Etch rate of TaN thin film and selectivity of

TaN to SiO2 as a function of addictive CH4 gas in the BCl3/Ar gas chemistry.

반응은 빠르게 일어나지만, chamber 내의 Ar⁺ 이온은 감소하게 되어 총 이온충돌 에너지가 감소하게 되었 고, 화학적 반응 후 TaN 박막의 표면의 식각부산물 들이 감소된 이온 충돌 에너지에 의해 표면에 잔류하 는 것으로 판단된다 [15].

그림 3은 그림 2의 TaN 박막의 단면 SEM 이미지 이다. 그림 3(a)와 (b)로부터, CH4 가스가 3 sccm까 지 첨가됨에 따라 식각 속도가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 그러나 6 sccm 이상의 CH4 가스가 첨가 되었을 때는 오히려 식각 속도가 감소되는 현상도 그 림 3(c)와 (d)와 같이 확인할 수 있었다. TaN 박막 표면에서 라디칼과의 반응에 따른 식각 특성을 이해 하기 위해서 식각된 TaN 박막 표면상에서의 화학적 반응을 살펴보고자 XPS를 수행하였다.

그림 4는 BCl3/Ar 및 CH4/BCl3/Ar 가스 조건에서 식 각 후 TaN 박막 표면의 Ta 4f narrow scan 결과이다.

BCl3/Ar 가스에 CH4를 첨가하였을 때 TaN 표면의 Ta 4f의 성분 peak은 세 가지 다른 산화로 인해 세 쌍의 peak으로 나타낼 수 있다. 그림 4(a)에서 23.8 eV에 해 당하는 metal peak, 24.6 eV에 해당하는 Ta-Cl peak와 25.7 eV에 해당하는 Ta-N peak으로 구분 가능하다.

그림 4(a)를 보면, BCl3/Ar 플라즈마에 노출시 Ta는 Cl 라디칼과 결합하여 TaClx의 식각 부산물을 생성한다.

Fig. 3. The cross sectional SEM image of the etched TaN thin film as a function of addictive CH4 gas in the BCl3/Ar gas chemistry.

(4)

(d) CH4/BCl3/Ar(=12:4:16 sccm)gas mixing ratio

Fig. 4. The Ta 4f XPS narrow scan spectra of the surface of the TaN thin film as a function of addictive CH4 gas in the BCl3/Ar gas chemistry.

Fig. 5. The N 1s XPS narrow scan spectra of the surface of the TaN thin film as a function of addictive CH4 gas in the BCl3/Ar gas chemistry.

(5)

Fig. 6. The side sectional SEM image of the etched TaN thin film as a function of addictive CH4 gas in the BCl3/Ar gas chemistry.

반면에 그림 4(d)와 같이 CH4 가스 첨가량이 높은 플라즈마에 노출되었을 때 Metal과 Ta-Cl의 밀도가 감소하고 binding energy가 높은 쪽으로 metal peak (23.9 eV), Ta-Cl peak (24.7 eV), Ta-N peak (25.8 eV)가 이동되는 것을 볼 수 있다. 이는 CH4 가스가 첨가됨에 따라 C 라디칼이 증가하고, 이로 인해 C, Cl 원자들과 CH 원자들에 의해 화학적 반응이 일어 난 것으로 여겨진다 [16].

그림 5는 BCl3/Ar 가스 조건과 CH4를 첨가하였을 때 TaN 표면의 N 1s의 성분 peak를 나타낸 것이다.

N 1s peak는 397.2 eV에 해당하는 N-Ta과 403.4 eV 에 해당하는 N-Si의 두 가지 성분으로 조절된다.

CH4 가스를 첨가했을 때 N-Ta와 N-Si의 밀도가 감 소하는 것을 볼 수 있으며, BCl3/Ar 가스에 CH4를 첨가했을 때 TaN 표면의 N 라디칼은 C, CH, Cl 라 디칼에 의해 결합되어 N-Ta와 N-Si의 밀도는 줄어 들고 Ta와 N의 증발로 인해 식각 속도가 증가됐을 것이라 여겨진다 [16,17].

그림 6은 그림 3의 TaN 박막의 측면 SEM 이미지 이다. 그림 3에서 본 것처럼, CH4 가스가 3 sccm까지 증가함에 따라 식각 속도가 증가하면서 표면이 식각 부산물로 덮인 사실을 확인할 수 있었다. 그리고 6 sccm 이상의 CH4 가스가 첨가되었을 때는 오히려 식 각 속도가 감소되었으나 표면에 남은 식각 부산물들 이 모두 없어지는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서 유도결합 플라즈마 (ICP) 시스템을 이 용한 TaN 박막의 식각 실험을 수행하였고, SiO2 와 의 식각 선택비를 관찰하였다. BCl3/Ar(4:16 sccm)의 가스 조건에서 3 sccm의 CH4 가스를 첨가하였을 때 가장 높은 식각속도를 얻었다. 또한, 3 sccm 이상의 CH4가 첨가될 경우 식각 속도는 줄어들었으나, TaClx

와 같은 식각 부산물을 감소시켜 깨끗한 TaN 표면을 얻을 수 있는 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 지식경제부에서 시행한 지식경제 기술혁 신사업(산업기술기반구축사업인 스마트 마이크로센서 상용화를 위한 파운드리 기반기술 구축: N0000417)의 해 지원되었다.

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